27/3/2016

 

Aerosol là những phần tử vật chất rất nhỏ, kích thước nhỏ hơn 1 micron, ở trạng thái dắn, lỏng và khí, bay lơ lửng trong bầu khí quyển. Aerosol có thể sinh ra bởi thiên nhiên như hạt sương mù, khí thoát ra từ rừng cây, hạt nhỏ li ti thoát ra từ đại dương, bụi cát từ sa mạc, tro và các khí phóng thích ra từ núi lửa. Aerosol nhân tạo sinh ra bởi con người như bụi, khói, các chất ô nhiễm thoát ra ngoài khí quyển.

 

Bầu khí quyển của trái đất bao phủ bởi đủ các loại aerosol nhưng vì chúng qúa nhỏ nên mắt thường không nhìn thấy. Tuy nhiên với nồng độ tập trung cao nên đã tạo ra các hiện tượng thời tiết mà ta có thể nhận diện được chúng một các trực tiếp hay gián tiếp. Trực tiếp như sương mù, gián tiếp như ráng đỏ của mặt trời lúc bình minh và hoàng hôn do sự phản hồi ánh sáng bởi aerosol. Những hiện tượng này thường làm hạn chế tầm nhìn của con người.

 

Nhiệm vụ của aerosol là phản chiếu ánh sáng mặt trời trở lại không gian, hấp thụ phóng xạ, là các nhân ngưng tụ tạo ra mây và mưa. Vì thế các khoa học gia chuyên về khí hậu tin rằng aerosol có tác dụng làm cho trái đất bớt nóng. Tuy nhiên còn nhiều ẩn số chưa biết rõ như những hóa tính của aerosol , cũng như thành phần cấu tạo của từng loại aerosol và động cơ nào đã làm thay đổi khí hậu.

 

Aerosol giữ vai trò trực tiếp hoặc gián tiếp đến khí hậu và phóng xạ trên trái đất. Trực tiếp như như phân tán ánh sáng trở lại không gian và gián tiếp như sửa đổi kích thước của phần tử mây, làm thay đổi sự hấp thụ năng lượng do phản hồi ánh sáng mặt trời , vì thế làm ảnh hưởng đến năng lượng của trái đất.

 

Aerosol có thể gây ra các phản ứng hoá học và những phản ứng này được cho là nguyên nhân làm hủy hoại lớp ozone ở thượng tầng khí quyển. Vào mùa đông tại vùng bắc cực aerosol tạo ra các đám mây ở thượng tầng khí quyển và các đám mây này là nơi mà các phản ứng hóa học sảy ra. Các phản ứng này đã tạo ra một lượng lớn reactive chlorine với hậu qủa là làm hủy hoại lớp ozone ở thượng tầng khí quyển. Một bằng chứng hiển nhiên là lớp ozone ở thượng tầng khí quyển đã thay đổi sau khi núi lửa Mt. Pinatubo hoạt động phun ra một lượng lớn phún xuất thạch với nhiều tấn aerosol vào khí quyển.

 

Hai loại aerosol thông thường là sea salt aerosol và dust aerosol, bao phủ khắp trái đất vì đại dương chiếm 3/ 4 diện tích địa cầu, phần còn lại là đất liền. Ngoài ra còn hai loại aerosol khác phát sinh ra từ núi lửa ( volcanic aerosol ) và do hoạt động của nhân loại ( human-made aerosol ) .

 

Sea salt aerosol hay sea spray là những phần tử được tạo ra trực tiếp ở đại dương do sự va chạm cơ học bởi sóng biển nên những bọt nước bị bể tung ra ở mặt tiếp giáp với không khí rồi thoát vào khí quyển. Sea spray phóng thích ra sea salt aerosol chứa muối vô cơ và các chất hữu cơ có trong nước biển. Số lượng chất hữu cơ tùy thuộc vào hoạt động của các vi sinh vật.

 

Trong nhiều năm qua nhân loại cho rằng sea spray chỉ là sodium chloride (NaCl) trong nước. Tuy nhiên những khảo cứu gần đây đã chứng minh rằng sea salt aerosol rất phức tạp chứ không đơn giản như người ta vẫn tưởng. Loại aerosol này là nguyên nhân làm soi mòn các vật liệu làm bằng kim loại ở các vùng biển. Sodium Chloride làm soi mòn nhanh hơn nữa do lượng oxygen và ẩm độ cao tại vùng biển. Sodium Chloride không hoà tan trong không khí nhưng những phân tử nhẹ và nhỏ của chúng bay lơ lửng hơặc xen lẫn vào các giọt nước nhỏ li ti trong không khí .

 

Aerosol sinh ra từ núi lửa ảnh hưởng lớn đến bầu khí quyển địa cầu. Khi núi lửa hoạt động, phun dung nham, một lượng lớn sulfure dioxide (SO2), hydrochloric acid (HCL) và tro phân tán vào vùng thượng tầng khí quyển. HCL ngưng tụ với hơi nước tạo ra đám mây (volcanic cloud) và SO2 từ đám mây biến đổi thành sulfuric acid (H2SO4). Acid sulfuric ngưng tụ tạo ra aerosol phân tán vào vùng khí quyển rồi ở lại một thời gian rất lâu. Những phản ứng hóa học ngoài mặt của aerosol làm tăng thêm chlorine gas rồi phản ứng với nitrogen là nguyên nhân phá hủy lớp ozone ở thượng tầng khí quyển.

 

Sau khi núi lửa hoạt động , một lớp volcanic aerosol được tạo ra ở thượng tầng khí quyển và sinh ra khí sulfur dioxide (SO2). Sau đó SO2 từ vài tuần đến vài tháng biến đổi thành các giọt nhỏ sulfuric acid theo gíó phân tán đi khắp địa cầu. Những sulfuric acid aerosol này có thể lưu lại trong không khí đến hai năm với nhiệm vụ phản chiếu ánh sáng mặt trời trở về không gian nên làm giảm đi năng lượng mặt trời tới hạ tầng khí quyển và bề mặt của trái đất, giúp trái đất mát hơn.

 

Năm 1993, khí hậu trái đất mát mẻ có thể do lớp volcanic aerosol sinh ra bởi dung nham của núi lửa Mt. Pinatubo. Năm 1995, vệ tinh của NASA còn khám phá ra aerosol của núi lửa này vẫn còn lưu lại trong khí quyển.

 

Dust desert là loại aerosol sinh ra từ bụi sa mạc. Hình ảnh chụp được từ vệ tinh tiết lộ những màng bụi tuôn tràn trên Đại Tây Dương từ những sa mạc vùng miền bắc Phi Châu. Nhũng lớp bụi sa mạc này đã rớt xuống nhiều địa điểm vùng bắc Mỹ. Tương tự lớp bụi sa mạc cũng đã tìm thấy ở lục địa Á Châu. Tháng 9 năm 1994 phi thuyền Discovery đã khám phá một lượng lớn bụi sa mạc ở hạ tầng khí quyển Phi Châu. Đó là những hạt bụi nhỏ được thổi đi từ bề mặt sa mạc nhưng kích thước tương đối lớn hơn so với các atmospheric aerosol khác nên thông thường chỉ di chuyển đi một hành trình nggắn rồi rớt xuống. Tuy nhiên có thể được thổi bay lên một cao độ trên 15,000 ft bởi các trận bão sa mạc với cường độ cao.

 

Bụi sa mạc cấu tạo bởi các chất khoáng nên hấp thụ và phân tán tia sáng mặt trời. Vì hấp thụ ánh sáng mặt trời nên hạt bụi làm nóng những vùng khí quyển mà nhũng lớp bụi hiện diện. Vùng không khí nóng này làm ngăn cản sự thành lập các đám mây gây ra mưa bão. Hậu qủa làm cho diện tích vùng sa mạc được trải rộng xa ra hơn. Quan sát mới nhất về các đám mây cho biết dust aerosol hấp thụ tia sáng mặt trời còn nhiều hơn người ta tưởng như trước kia . Vì hấp thụ tia sáng mặt trời và di chuyển đi xa nên desert aerosol góp phần thêm vào hấp thụ tia sáng mặt trời của những đám mây.

 

Human-made aerosol sinh ra bởi những hoạt động của nhân loại như khói thoát ra do sự cháy rừng nhiệt đới. Nhưng phần lớn là hợp chất dưới hình thức sulfate aerosol sinh ra do sự đốt cháy than đá và dầu hỏa. Nồng độ sulfate aerosol do nhân loại thải ra trong khí quyển khởi sự từ cuộc cách mạng kỹ nghệ. Với mức sản xuất hiện nay human-made sulfate aerosol đã vượt qua mức sulfate aerosol sản xuất ra trong thiên nhiên.

 

Nồng độ aerosol cao nhất ở vùng bắc bán cầu là nơi tập trung các hoạt động kỹ nghệ. Sulfate aerosol không hấp thụ ánh sáng mặt trời nhưng phản chiếu lại vì thế làm giảm đi lượng ánh sáng mặt trời đi vào trái đất. Sulfate aerosol chỉ lưu lại trong bầu khí quyển từ ba đến năm ngày.

 

Sulfate aerosol cũng đi vào những đám mây làm số lượng những hạt mây gia tăng nhưng kích thước lại nhỏ hơn. Kết qủa rõ nhất là làm phản hồi ánh sáng mặt trời về không gian. Nếu không có sự hiện diện của sulfate aerosol thì sự phản hồi không sảy ra. Khói thải từ các tầu thủy do sự đốt cháy nhiên liệu đã làm thay đổi các lớp mây thấp. Sự thay đổi do sulfate aerosol thải ra từ tầu thủy làm thay đổi các hạt mây được các vệ tinh thời tiết khám phá qua các hình ảnh chụp được ở các tầng mây. Ngoài ra các đám mây bị nhiễm sulfate aerosol lâu tan biến trên bầu trời và phản hồi ánh sáng nhiều hơn.

 

Aerosol và khí nhà kiếng đều ảnh hưởng đến sự thay đổi khí hậu trên trái đất. Tuy nhiên ảnh huởng trái chiều với nhau. Aerosol làm trái đất mát hơn trong khi khí nhà kiếng làm trái đất nóng hơn. Hiệu ứng của khí nhà kiếng làm trái đất nóng hơn có thể sảy ra ở khắp mọi nơi, nhưng hiệu ứng của aerosol làm trái đất mát hơn thì tùy thuộc từng vùng địa lý, Vì thế trên trái đất có những nơi nhiệt độ tăng, nhưng cũng có những nơi nhiệt độ giảm.

 

Mô hình tiên đoán khí hậu còn qúa sơ đẳng để biết đích xác sự tăng hay giảm nhiệt độ cho từng vùng. Sự quan sát hiện nay chỉ giới hạn ở vài địa điểm trên trái đất và sự quan sát cũng không được liên tục. Tìm hiểu số lượng sulfure dioxide hiện diện trong khí quyển rất quan trọng, để làm sao kiểm soát sự ô nhiễm do sulfure dioxide sinh ra.

 

Aerosol sẽ tan biến đi ở nơi tiếp giáp hạ tầng khí q uyển và thượng tầng khí quyển. Vùng tiếp giáp này là nơi trao đổi không khí giữa hai vùng khí quyển. Trong vùng này các khí ô nhiễm từ hạ tầng khí quyển chuyển sang thượng tầng khí quyển làm ảnh hưởng đến hoá tính của thượng tầng khí quyển. Ở vùng này ozone từ thượng tầng khí quyển bị đem xuống hạ tầng khí quyển rồi phản ứng với không khí ô nhiễm ở đây để tạo ra các aerosol ô nhiễm mới ( pollution aerosol ).

 

Đo lường aerosol cho ta biết sự di chuyển của vùng khí quyển. Đặc tính của aerosol thay đổi rất chậm nên dễ theo dõi sự chuyển động của khí quyển so với các hoá chất dễ thay đổi nồng độ bởi các phản ứng hóa học.

 

Các nhà khoa học về khí quyển muốn tìm hiểu rõ ràng hơn về thành phần của từng loại aerosol và ảnh hưởng của chúng đối với sự tạo ra khí hậu. The Center for Aerosols Impacts on Climates & the Environment đang thực hiện các nghiên cứu để tìm hiểu hóa tính của aerosol ở mức độ sâu hơn hay nói khác đi cho từng loại aerosol, không phải hoá tính chung cho tất cả các loại aerosol. Mục đích là tìm ra một mô hình về khí hậu để giải thích những hiện tượng bất thường về thời tiết hiện nay. Việc này đòi hỏi phải tạo ra các aerosol trong phòng thí nghiệm giống như có trong khí quyển.

 

Các khoa học gia đã tạo ra các bể chứa nước biển trong phòng thí nghiệm với các vi sinh vật cũng như tảo có trong đại dương. Trong thí nghiệm aerosol được phản ứng với nitric acid, một chất ô nhiễm thường thấy trong khí quyển. Kết qủa cho thấy các aerosol có cation Na+ bao quanh các Ca+ và Mg+, trong khi aerosol không phản ứng với nitric acid thì ngược lại, Ca+ và Mg+ bao quanh cation Na+.

 

Kết qủa cũng cho thấy Cl- bị tách ra khỏi NaCl để cho nitrate và một lớp chất hữu cơ ở bề mặt của các aerosol được phản ứng mà không thấy ở aerosol không bị phản ứng với nitric acid. Thí nghiệm chứng tỏ rằng sea salt aerosol không chỉ đơn thuần là những hạt nhẹ và nhỏ NaCl mà đã thay đổi khi bay vào khí quyển rồi tiếp xúc và phản ứng với các vật thể khác.

 

Tương tự dust aerosol cũng thay đổi khi phản ứng với các vật thể khác trong khí quyển. Thành phần của dust aerosol gồm có clay, oxide và carbonate minerals. Nhưng thành phần này sẽ thay đổi khi tiếp xúc với khí quyển. Chẳng hạn acetic acid phản ứng với calcite thì carbonate minerals bị phân tách ra. Tuy nhiên khi phản ứng với nitric acid ở thể khí thì carbonate minerals và calcite xuất hiện một lỏng dễ hấp thụ nước. Quart tiếp xúc với humic acid thì các phần tử bị bao bọc một lớp acid hữu cơ, trở nên hình cầu.

 

Ẩm độ cũng ảnh hưởng đến aerosol. Ẩm độ thấp do thiếu nước làm cho các muối vô cơ bị kết tinh và ẩm độ cao sẽ bị hòa tan. Ẩm độ tương đối thì aerosol biến đổi thành hai thể lỏng, một lớp hữu cơ bao bọc chung quanh một nhân lỏng.

 

Bầu khí quyển ngày nay rất phức tạp do đời sống văn minh của nhân loại với những phát triển kỹ nghệ và khoa học. Tuy mắt thường không nhìn thấy nhưng trong đó chứa chất hằng hà sa số các hạt nhỏ li ti của đủ mọi loại vật chất. Với tính chất vật lý và hóa học khác nhau chúng phản ứng với nhau khi tiếp xúc đã tạo ra nhiều hợp chất bay lơ lửng trong bầu trời, đã làm thay đổi khí hậu toàn cầu.

 

Các nhà khoa học đã và đang tạo ra những bầu khí quyển nhân tạo để khảo cứu và khám phá , với mục đích giải thích chính xác những nguyên nhân nào đã làm thay đổi bầu khí quyển cũng như khí hậu của trái đất. Một thử thách lớn lao hiện nay là tìm hiểu những kỳ bí gì đã ẩn náu trong bầu khí quyển mà đã gây ra những trận cuồng phong , bão tố, những cơn lốc xoáy, với cường độ cực mạnh đã tàn phá tài sản , gây lũ lụt, cũng như thiệt hại nhân mạng, đem lại những nỗi sợ hãi kinh hoàng cho nhân loại.